드라이 가스 씰에 대한 필수 가이드: 구조 및 기능

I. 소개

건식 가스 씰링은 1960년대 후반 가스 윤활 베어링을 기반으로 개발된 새로운 유형의 비접촉식 샤프트 씰링으로, 나선형 홈 씰이 가장 대표적인 예입니다.

수년간의 연구 끝에 미국의 존 크레인 컴퍼니는 산업용 건식 가스 씰 제품을 최초로 출시했습니다.

실제로 건식 가스 씰은 기존의 접촉식 기계식 씰에 비해 많은 이점을 제공합니다. 주로 파이프라인, 해양 플랫폼, 정유소 및 석유화학 산업에서 사용되며 모든 가스 전송 시스템에 적합합니다.

건식 가스 씰은 PV 값에 제한을 받지 않는 비접촉 씰이기 때문에 고속 및 고압 조건의 대형 원심 컴프레서에 특히 적합합니다. 건식 가스 씰의 출현은 씰 윤활유의 제한 없이 가스 씰링의 문제를 해결하는 씰링 기술의 혁명적인 발전을 의미합니다.

또한 필요한 가스 제어 시스템은 필름 씰의 오일 시스템보다 훨씬 간단합니다.

또한 건식 가스 씰의 등장은 건식 가스 씰 기술과 배리어 씰 원리를 유기적으로 통합하여 기존의 씰링 개념을 변화시켰습니다.

"기체를 씰링제로 사용"하는 새로운 개념은 기존의 "액체 씰링 가스 또는 액체" 개념을 대체하여 모든 씰링 매체의 누출을 제로로 보장합니다. 따라서 건식 가스 씰은 펌프 샤프트 씰 분야에 광범위하게 적용할 수 있습니다.

다음 표는 컴프레서 건식 가스 씰의 누출률을 다른 일반적인 씰과 비교한 것입니다:

실험 장치의 테스트 조건: 샤프트 직경 140mm, 속도 5000rpm, 공정 가스 압력 0.6MPa, 씰 오일(가스) 압력 0.75MPa.

기존의 접촉식 기계식 씰에 비해 건식 가스 씰은 다음과 같은 주요 이점을 제공합니다:

1. 씰링 오일 시스템과 이를 작동하는 데 필요한 추가 전력 부하를 제거합니다.
2. 예기치 않은 유지보수 비용과 생산 중단 시간을 크게 줄입니다.
3. 오일에 의한 공정 가스 오염 방지.
4. 밀봉 가스 누출을 최소화합니다.
5. 유지 관리 비용이 저렴하고 경제성이 뛰어납니다.
6. 씰 작동을 위한 낮은 전력 소비.
7. 긴 봉인 수명과 안정적인 작동.

II. 건식 가스 씰의 작동 원리

다른 기계식 씰과 비교할 때 건식 가스 씰은 구조가 근본적으로 유사합니다. 가장 큰 차이점은 건식 가스 씰의 씰링 링 하나에 얕은 홈이 고르게 분포되어 있다는 것입니다. 이러한 홈은 회전 중에 유체 동적 압력 효과를 생성하여 씰링 표면을 분리함으로써 씰이 비접촉 상태에서 작동할 수 있도록 합니다.

건식 가스 씰의 씰링 끝면의 홈 모양은 크게 단방향 및 양방향 유형으로 분류됩니다.

단방향 그루브는 현재 컴프레서 장치에 가장 일반적으로 사용됩니다. 단방향 회전이 가능한 장치에만 사용할 수 있으며, 필요한 방향으로 개방력을 발생시키며, 반대 방향으로 개방력이 발생하면 씰이 손상될 수 있습니다.

그러나 양방향 그루브에 비해 더 큰 개방력과 가스막 강성을 생성할 수 있어 안정성이 높고 종단면 접촉을 보다 확실하게 방지할 수 있어 매우 낮은 속도와 상당한 진동에서도 사용할 수 있습니다.

양방향 그루브도 일반적입니다. 이 그루브 유형은 방향에 대한 요구 사항이 없으며 씰을 손상시키지 않고 정방향 및 역방향 회전 모두에 적합합니다. 단방향 그루브보다 적용 범위가 더 넓지만 안정성과 간섭 저항성이 떨어집니다.

다양한 홈 유형의 건식 가스 씰에 대한 반복적인 실험과 비교 연구를 통해 헬리컬 홈 설계가 최소 누설로 최고의 가스막 강성을 제공하여 최고의 누설률을 달성하는 것으로 확인되었습니다. 아래는 이 그루브 유형에 대한 자세한 소개입니다.

아래 그림은 씰링 표면에 나선형 홈이 있고 깊이가 10 마이크로미터 미만인 일반적인 건식 가스 씰을 보여줍니다. 씰이 작동하면 씰링된 가스는 나선형 홈으로 접선 방향으로 끌어당겨져 외경에서 중심(즉, 저압 측)으로 방사상으로 이동하며 씰링 댐에 의해 저압 측으로 흐르지 못하도록 제한됩니다.

가스는 나선형 홈의 다양한 단면 모양을 따라 이동하면서 압축되어 홈 루트에 국부적인 고압 영역을 생성하고 끝면을 수 마이크로미터씩 분리하여 특정 두께의 가스 필름을 형성합니다.

이 가스막 두께에서는 가스막 작용에 의해 생성된 개방력이 스프링 및 중간력에 의해 생성된 폐쇄력과 균형을 이루어 씰이 비접촉식으로 작동할 수 있습니다. 건식 가스 씰의 씰링 표면 사이에 형성된 가스 막은 일정한 양의 강성을 가지므로 씰 작동의 안정성을 보장합니다. 필요한 유체 동압 효과를 얻으려면 동압 홈이 고압 측에 위치해야 합니다.

위의 그림은 나선형 홈 건식 가스 씰에 작용하는 힘을 보여주며, 가스 막 강성이 어떻게 씰 작동의 안정성을 보장하는지 보여줍니다. 정상적인 조건에서 씰의 닫는 힘은 여는 힘과 같습니다.

외부 교란(예: 공정 또는 작동 변동)이 발생하여 기체막 두께가 감소하면 기체의 점성 전단력이 증가하여 나선형 홈에서 발생하는 유체 동압 효과가 강화되어 기체막 압력과 개방력이 증가하여 힘 균형을 유지하고 씰을 원래 간격으로 복원하며, 반대로 씰이 교란되어 기체막 두께가 증가하면 나선형 홈에서 발생하는 동압 효과가 약화되어 기체막 압력과 개방력이 감소하여 씰이 원래 간격으로 돌아갈 수 있게 됩니다.

따라서 설계 범위 내에 있는 한 외부 교란이 제거되면 씰은 항상 설계된 작동 간격으로 돌아갈 수 있으므로 건식 가스 씰은 안정적이고 신뢰할 수 있는 작동을 보장하는 자체 조정 기능을 갖추고 있습니다.

씰 안정성의 주요 지표는 생성된 가스막의 강성으로, 가스막 두께 변화에 대한 가스막 힘의 변화 비율입니다. 가스막 강성이 클수록 씰의 간섭 저항이 강해지고 작동이 더 안정적입니다.

III. 일반적인 건식 가스 씰 구조

다양한 작업 조건에 적합한 건식 가스 씰의 전체 구조 형태는 여러 가지가 있습니다. 실제로 원심 컴프레서에 사용되는 건식 가스 씰은 주로 다음 네 가지 구조를 포함합니다:

1. 싱글 페이스 씰

싱글 페이스 씰은 주로 위험하지 않은 가스, 즉 중간 가스의 대기 중 미미한 누출이 허용되는 상황에 사용됩니다. 씰링에 사용되는 가스는 공정 가스 자체입니다. 이 유형은 일반적으로 이산화탄소 압축기와 같은 국내 수입 장치에 사용됩니다.

2. 탠덤 씰

탠덤 건식 가스 씰은 작동 신뢰성이 높은 씰링 구조로, 일반적으로 중간 가스의 대기 중 미미한 누출이 허용되는 곳에 적용됩니다. 석유화학 기업의 도입 유닛에 널리 사용됩니다.

탠덤 건식 가스 씰은 두 개 이상의 건식 가스 씰 세트가 같은 방향으로 끝에서 끝까지 연결된 것으로 간주할 수 있습니다. 싱글 페이스 구조와 마찬가지로 씰링 가스는 공정 가스 자체입니다. 일반적으로 2단 구조가 사용되는데, 첫 번째 단계(1차 씰)는 전체 하중을 견디고 다른 단계는 압력 강하 없이 백업 씰 역할을 합니다.

1차 씰에서 누출된 공정 가스는 연소를 위해 플레어로 유입됩니다. 연소되지 않은 극소량의 공정 가스는 2차 씰을 통해 누출되어 안전하게 배출됩니다.

1차 씰이 고장 나면 2차 씰이 보조 안전 씰 역할을 하여 공정 매체가 대기 중으로 대량 누출되는 것을 방지합니다.

3. 중간 미궁이 있는 탠덤 인장

공정 매체가 대기 중으로 누출되거나 버퍼 가스가 공정 매체로 누출되지 않도록 하려면 탠덤 구조의 두 단계 사이에 중간 래버린스 씰을 추가할 수 있습니다.

이 구조는 가연성, 폭발성 및 유해 가스에 사용되며 외부 누출이 발생하지 않습니다. H2 압축기, H2S 함량이 높은 천연가스 압축기, 에틸렌, 프로필렌, 암모니아 압축기 등이 그 예입니다.

이 구조에는 공정 가스 외에도 2차 밀봉을 위한 밀봉 가스로서 추가적인 질소 가스 경로가 필요합니다. 1차 씰에서 누출된 공정 가스는 질소 가스에 의해 연소를 위해 플레어에 전적으로 유입됩니다.

2차 실을 통해 대기 중으로 누출되는 모든 가스는 질소입니다. 1차 씰이 고장 나면 2차 씰이 보조 안전 씰 역할을 합니다. 이 구조는 비교적 복잡하지만 신뢰성이 가장 높기 때문에 중압 및 고압 원심 컴프레서 샤프트 씰의 표준 구성이 되었습니다.

4. 더블 페이스 씰

이중면 씰은 두 개의 단일면 씰이 마주보게 배열된 것과 같으며, 때로는 하나의 회전 링을 공유합니다. 플레어 시스템이 없는 조건에서 밀봉 가스가 공정 매체로 약간의 누출이 허용되는 경우에 적합합니다. 두 씰 세트 사이에 질소 가스를 도입하면 신뢰할 수 있는 차단 씰 시스템이 형성됩니다.

질소 가스의 압력은 항상 공정 가스 압력(0.2-0.3MPa)보다 약간 높은 수준을 유지하도록 제어되어 가스 누출 방향이 항상 공정 매체와 대기를 향하도록 하여 공정 가스가 대기 중으로 누출되는 것을 방지합니다. 이중 페이스 씰 구조는 주로 저압 독성, 인화성 및 폭발성 가스에 사용됩니다.

IV. 건식 가스 밀봉 설계 개요

건식 가스 씰은 작동 중에는 비접촉 면으로 작동하지만 시동 및 종료 단계에서는 짧은 접촉이 발생하므로 결합 표면에 내마모성 소재를 사용해야 합니다.

건식 가스 씰의 마찰 쌍 재료에는 일반적으로 열팽창 계수가 낮고 탄성 계수, 인장 강도, 열 전도성 및 경도가 높은 재료(예: 하드 페이스의 경우 SiC 또는 초경합금, 소프트 페이스의 경우 함침 흑연 또는 SiC)가 포함됩니다. 다이내믹 그루브는 일반적으로 다이내믹 링의 표면에 가공됩니다.

건식 가스 씰의 구조는 기존의 기계식 씰과 크게 다르지 않기 때문에 건식 가스 씰의 설계는 주로 씰 표면의 홈 모양 매개 변수에 중점을 둡니다. 건식 가스 씰의 이론적 기반은 레이놀즈 방정식과 나비에-스토크스 방정식을 준수하는 나선형 홈 스러스트 베어링의 원리를 기반으로 합니다.

당사는 수치 계산을 위해 유한 요소법을 사용하며, 자체 개발한 독점 소프트웨어를 통해 나선형 홈 씰링 표면의 가스 막 압력 분포를 계산하여 건식 가스 씰의 하중 용량, 가스 막 강성 및 가스 누출률을 추가로 결정합니다.

건식 가스 씰 작동의 안정성과 신뢰성은 씰링 표면의 가스 막 강성에 따라 달라집니다. 공정 파라미터와 나선형 홈 구조 파라미터가 씰 성능에 미치는 영향은 주로 가스 막 강성에 미치는 영향에 반영되며, 강성이 클수록 씰 안정성이 향상됩니다.

가스 막 강성을 고려하는 것 외에도 씰의 누설률에도 초점을 맞춰 가능한 한 높은 강성 대 누설 비율을 목표로 합니다. 즉, 씰은 높은 강성과 낮은 누출률을 모두 갖춰야 합니다. 최대 강성 대 누출 비율과 상당한 가스 막 강성을 갖춘 건식 가스 씰만이 장기적이고 안정적이며 이상적인 작동을 보장할 수 있습니다.

가스막 강성에 영향을 미치는 나선형 홈의 구조적 파라미터에는 홈 깊이, 나선형 각도, 홈 수, 홈 폭 대 위어 폭 비율, 홈 길이 대 댐 길이 비율 등이 있으며, 전문 소프트웨어를 통한 최적화가 필요합니다. 가스막 강성에 영향을 미치는 공정 파라미터는 다음과 같습니다:

1. 버퍼 가스 점도: 밀봉 가스의 점도는 가스막 강성에 큰 영향을 미치며, 점도가 높을수록 유체 역학적 효과가 강해지고 강성이 높아집니다.
2. 씰 가스 온도: 가스 점도는 온도에 따라 달라지며, 온도가 높을수록 점도가 높아지고 가스 막의 강성이 증가합니다.
3. 봉인 속도: 속도가 빠를수록 유체 역학적 효과가 향상되어 가스 막 강성이 증가합니다. 이상적으로는 씰 가공 및 설치 정밀도의 영향을 고려하지 않고 더 빠른 속도로 기계적 씰의 PV 값에 제한받지 않고 건식 가스 씰 안정성을 향상시켜 건식 가스 씰이 고속 애플리케이션에 특히 적합합니다.
4. 씰면의 지름입니다: 동일한 속도에서 씰 직경이 클수록 선형 속도가 빨라지고 가스막 강성이 높아집니다.
5. 버퍼 가스 압력: 버퍼 가스 압력은 가스막 강성에 미치는 영향은 미미하며, 일반적으로 압력이 높을수록 강성이 약간 증가합니다.

V. 건식 가스 밀봉 제어 시스템

건식 가스 씰 작동의 신뢰성을 보장하기 위해 각 세트에는 그에 맞는 모니터링 및 제어 시스템이 장착되어 있습니다. 이 시스템은 씰이 최적의 설계 상태로 작동하도록 유지합니다. 씰이 고장 나면 시스템이 신속하게 경보를 발동하여 유지보수 담당자가 문제를 즉시 해결할 수 있도록 합니다.

여기에서는 일반적인 탠덤 건식 가스 씰 시스템을 소개합니다.

아래 개략도는 시스템을 설명합니다. 정상적인 조건에서는 장치의 배출구에서 가스 스트림이 추출되어 두 단계의 여과(3μm의 정밀도)를 통과하여 건조하고 깨끗한 가스를 생성합니다. 이 가스는 건조 가스 씰의 버퍼 역할을 하며 씰 챔버로 들어갑니다.

압력은 정상 작동 시 기준 공정 가스 압력보다 약간 높도록 제어되어(일반적으로 50KPa), 정제되지 않은 공정 가스의 먼지 및 응축 오일과 같은 불순물이 밀봉면에 유입되어 건식 가스 밀봉의 성능에 악영향을 미치는 것을 방지합니다. 이 시스템은 차압 트랜스미터를 사용하여 버퍼 가스와 기준 가스 사이의 압력 차이를 측정합니다.

이 신호는 버퍼 가스 입구에 위치한 공압 다이어프램 조절 밸브를 제어하여 기준 가스와 일정한 차압을 유지하도록 입구 압력을 조정합니다. 실 챔버로 유입되는 대부분의 버퍼 가스는 래버린스 실을 통해 공정 가스로 되돌아갑니다.

소량의 가스가 1단계 건식 가스 밀봉을 통해 누출되는데, 이를 1단계 누출 가스라고 합니다. 이 대부분은 플레어에서 안전하게 연소됩니다.

장기적으로 이상적인 작동에 필수적인 안정적인 가스 막은 적절한 압력 차에서만 형성될 수 있습니다. 이 시스템은 1단계 누출 가스의 배출구에 스로틀 밸브를 설치하여 적절한 배압을 생성하도록 밸브 개구부를 조정함으로써 이를 달성합니다. 이 밸브는 1단계 씰이 실패할 경우 누출을 제한하는 역할도 합니다.

또한 질소 가스는 필터와 감압 밸브를 통해 후속 래버린스 씰로 격리 가스로 도입됩니다. 그 압력은 베어링 박스 오일 압력(보통 대기압)보다 약간 높기 때문에 안정적인 차단 씰 시스템을 구축할 수 있습니다.

이를 통해 베어링 박스의 윤활유가 드라이 가스 씰로 유입되지 않고 잔류 공정 가스가 베어링 영역의 윤활유를 오염시키는 것을 방지할 수 있습니다.

격리 가스의 일부는 베어링 박스로 들어가고 나머지는 2단계 누출 가스라고 하는 1단계 누출 가스에서 연소되지 않은 소량의 공정 가스와 혼합됩니다. 이는 환경에 무해한 가스로서 대기로 안전하게 배출될 수 있습니다.

씰이 올바르게 작동하는지 확인하는 주요 방법은 1단계 누출 가스를 모니터링하는 것입니다. 이상이 발생하면 1단계 건식 가스 씰의 압력과 유량이 크게 증가합니다.

미리 정해진 높은 경보 값에 도달하면 압력 트랜스미터가 제어실로 신호를 보내 경보 신호를 트리거합니다. 이를 통해 운영자는 제어 시스템 압력이 설계된 범위 내에 있는지 확인할 수 있습니다.

가스 누출량이 매우 높은 경보 값에 도달하면 건식 가스 밀봉이 실패했음을 나타내며, 장비 손상을 방지하기 위해 시스템 셧다운을 트리거합니다.

VI. 드라이 가스 씰 설치 시 주의사항

건식 가스 씰은 설치, 분해 및 사용 시 특별한 주의가 필요한 고도로 정밀한 부품입니다. 일반적으로 다음과 같은 주의 사항이 권장됩니다:

1. 씰은 복잡한 조립 관계, 높은 청결도 요구 사항, 특수 조립 도구, 정밀한 동적 밸런싱이 필요하기 때문에 비전문 제조업체는 씰을 분해해서는 안 됩니다.
2. 운송, 설치, 분해 시 모두 포지셔닝 플레이트를 사용해야 합니다.
3. 캐비티와 샤프트의 상대적 위치는 높은 정밀도를 요구하므로 관련 치수를 미리 확인하고 필요한 경우 쉼으로 조정합니다.
4. 설치하는 동안 로터와 케이스의 동심도를 유지하여 로터를 제자리에 고정합니다.
5. 일반적으로 쓰러스트 플레이트 끝의 설치부터 시작하여 다른 쪽 끝의 씰이 정확하게 배치되도록 합니다.
6. 씰 챔버와 모든 입구 및 출구 파이프를 철저히 청소하여 오일 파이프보다 더 높은 수준의 청결도를 유지하세요.
7. 윤활을 위해 그리스를 사용하지 말고 실리콘 그리스를 사용하세요.
8. 씰을 장치에 설치하고 포지셔닝 플레이트를 제거한 후 로터의 축 방향 변위가 2mm를 초과하지 않는지 확인합니다.

VII. 드라이 가스 씰 작동 중 유지보수

광범위한 애플리케이션을 위해 설계된 건식 가스 씰은 일반적으로 정상적인 조건에서 유지 관리가 필요하지 않습니다.

그러나 매일 씰 누출을 모니터링하는 것이 중요합니다. 누출이 증가하면 씰이 고장날 가능성이 있으므로 다음 사항에 주의를 기울여야 합니다:

1. 헬리컬 그루브 건식 가스 씰은 단방향 회전을 위해 설계되었으므로 역회전을 피해야 합니다. 또한 초당 5m 미만의 저속으로 장시간 작동하면 씰이 손상될 수 있습니다.
2. 씰링 가스의 안정적인 흐름을 보장합니다. 건식 가스 씰의 정상적인 작동을 위해서는 씰링 가스의 흐름을 일정하고 중단 없이 유지하는 것이 중요합니다.
3. 음압 상태에서 씰을 작동하지 마십시오. 이중면 씰의 음압은 정적 조건에서 누출을 크게 증가시키고 동적 조건에서 씰링 면을 손상시킬 수 있습니다. 탠덤 씰의 경우 필터링되지 않은 공정 가스에 의한 오염으로 이어져 씰이 빠르게 고장날 수 있습니다.
4. 씰 누출의 변화를 모니터링합니다. 누출 변화는 건식 가스 씰의 작동 상태를 직접적으로 반영합니다. 공정 가스의 변동, 샤프트 이동, 서지, 압력, 온도 및 속도 변화와 같은 요인이 누출에 영향을 미칠 수 있습니다. 안정적인 누출률은 정상 작동을 나타내며, 상승 추세는 씰 오작동을 나타냅니다.
5. 필터 차압이 경보 값에 도달하면 필터를 전환하고 필터 요소를 즉시 교체하세요.
6. 장치를 시동할 때는 오일 윤활 시스템을 시동하기 전에 건식 가스 밀봉 제어 시스템의 차단 가스가 충분한 압력을 형성할 때까지 기다리십시오.
7. 기기를 종료할 때는 오일 시스템이 완전히 정지한 후 10분 이상 기다렸다가 건식 가스 밀봉 제어 시스템을 종료하세요.

VIII. 건식 가스 씰 개조 적용에 필요한 조건

광범위한 연구와 시험 끝에 건식 가스 씰은 산업 응용 분야에서 널리 채택되었습니다. 에너지 효율, 소비 감소 및 환경 보호에 대한 현대 산업의 요구가 증가함에 따라 대량의 유해 가스를 운반하는 원심 압축기에서 샤프트 씰의 신뢰성, 누출 최소화, 수명 및 안정적인 작동이 필수가 되었습니다.

건식 가스 씰은 기존의 접촉식 기계식 씰에 비해 수명이 길고, 공정 매체 누출이 없으며, 유지보수 비용이 절감되는 등 탁월한 이점을 제공합니다. 이러한 장점은 다양한 유형의 샤프트 씰이 추구하는 목표와 일치합니다.

건식 가스 씰은 다음 두 가지 조건이 충족되면 원심 컴프레서, 원심 펌프, 반응기 및 기타 장비에 성공적으로 개조하여 적용할 수 있습니다:

1. 건식 가스 씰을 작동하기 위한 기본 요건은 현장에서 가스 공급원을 사용할 수 있어야 한다는 것입니다. 가스 공급원은 공정 가스 또는 공장 내부 또는 전용 질소 발생기에서 공급되는 질소와 같은 환경 친화적인 불활성 가스일 수 있습니다.
2. 샤프트 씰의 설치 장소에는 충분한 축 방향 및 반경 방향 공간과 적절한 개구부가 있어야 합니다.